基于ISPH方法的油液流动和冷却分析

LSDYNA中不可压缩SPH（ISPH）在油液流动及冷却分析中的应用及优化


引言

LSDYNA中的显式SPH（Smoothed Particle Hydrodynamics）技术在处理超高速撞击、爆炸等瞬态事件显示优越性。然而，对于较慢的流体流动，如涉水、电机冷却和齿轮润滑，其仿真性能需进一步优化。在此背景下，不可压缩SPH（Incompressible SPH，ISPH）技术被开发出，专门针对大型不可压缩流体仿真，如油液流动，提供更为高效的计算途径。本文详细探讨ISPH技术在油液冷却分析中的应用，特别是其在齿轮箱中的应用实例，以及与ROL（RANSLagrange）和FVM（Finite Volume Method）相比的优势。

ISPH技术介绍及其应用

ISPH技术的核心优势在于允许使用较大时间步长进行仿真，同时减少了对流体不可压缩性的妥协，比传统的显式SPH和FVM方法节省计算时间。本文聚焦于ISPH在齿轮箱油液冷却分析中的应用，通过示例展示其在实现油液流动及冷却效果优化的潜在机遇。

ISPH的工作原理与设置流程

ISPH技术是一种显式预测方法，适用于处理诸如重力、表面张力、粘度等非内部压力。其工作原理在于预测流体的速度场，并据此计算密度。在粒子从一个时间步移动到另一个时间步时，通过找到需要添加的压力以补偿位置变化，确保最终密度的稳定性。仅仅在每个时间步结束时，粒子仍需保持不可压缩状态，通过松弛的雅可比求解器求解线性方程组，寻得在每个时间步内每个粒子的压力和力，保证其物理属性的连续性。




在设置流程方面，采用基于粒子的框架进行前处理更为直接和灵活。首先，使用CAD或任何其他几何模型几何文件构建物体的SPH分布，生成均匀分布的表面颗粒。未来开发计划将自动化执行此任务，集成至GUI（Graphical User Interface）工具之中。通过特定脚本或工具（如surfgen），用户可以自定义对象的配置，包括流体密度等参数，从而生成LSDYNA关键字输入文件，无需大量手动处理。

执行仿真前，需设定适当的边界条件和加载条件。这涉及定义约束、模拟运动，如对齿轮箱外环、托架等结构进行定制动作，以及使用运动副来模拟齿轮与其他条件的相互作用，如定义行星齿轮与托架之间的连接方式。

油液流动与冷却分析

齿轮箱内充满大量油液时，合理的油流动有助于冷却和润滑齿轮组件。通过ISPH技术，可以精确模拟油在齿轮箱内部的复杂流动特性，包括轨迹、速度分布和压力场等，实现高效冷却链路的分析与优化。ISPH方法几乎完全处理了流体相的物理过程而无需额外结构化网格，将模拟焦点全部集中在流体行为上，避免了传统CFD方法可能需要的繁琐几何建模与网格划分。

适用案例与特点

该技术尤其适用于齿轮箱模型的分析。齿轮间狭窄的间隙提供了典型案例，涉及粒子与结构的相互作用、润滑剂侵入和宏观流动行为的精细仿真。一方面，ISPH能够模拟真实世界中液压油对齿轮表面的润滑和冷却效果，特别是处理油液和大齿轮结构之间复杂的流一体相互作用。另一方面，ISPH的高效特性便于分析齿轮箱中动态油流妥协点，如油液是否会积存、如何动态分布，以及在不同工况下齿轮动力传递效率的计算。